趙新華，孫志恒，劉艷霞，田軍濤，查益華，何 宇

（1.國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 建德 311600；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

新安江水力發(fā)電廠坐落在浙江省西部山區(qū)建德市境內(nèi)，攔河大壩為混凝土寬縫重力壩，最大壩高105.00 m，壩頂高程115.00 m，大壩全長(zhǎng)466.50 m，共分為26個(gè)壩段，其中0#—6#、17#—25#壩段為擋水壩段，7#—16#壩段為河床溢流壩段。為了提高廠房頂溢流面的抗沖磨強(qiáng)度，2006—2011年采用高韌性環(huán)氧砂漿更換了已老化的環(huán)氧砂漿［1］。由于新安江水電站處于南方溫暖地區(qū)，日光照射強(qiáng)烈，夏季廠房頂溢流面最高溫度達(dá)到50℃以上，特別是廠房頂長(zhǎng)年積水，高韌性環(huán)氧砂漿長(zhǎng)期在濕熱的水中浸泡。2016年對(duì)廠房頂溢流面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，廠房頂高韌性環(huán)氧砂漿存在本體抗拉強(qiáng)度降低的老化現(xiàn)象，同時(shí)局部區(qū)域存在脫空剝落、龜裂以及順?biāo)飨蛄芽p等缺陷。其原因是由于環(huán)氧砂漿本質(zhì)上屬于高分子聚合物材料，對(duì)溫度比較敏感，長(zhǎng)期在濕熱環(huán)境下對(duì)環(huán)氧砂漿本體強(qiáng)度及耐久性影響更大。針對(duì)新安江電站廠房頂溢流面環(huán)氧砂漿防護(hù)層的現(xiàn)狀，考慮工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的外界環(huán)境條件（高溫、高濕、振動(dòng)、高速水流沖蝕），本文對(duì)PVA纖維超高韌性水泥基復(fù)合材料進(jìn)行室內(nèi)性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)，為新安江電站廠房頂溢流面缺陷處理方案的制定和現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模施工提供參考依據(jù)。

2 PVA纖維超高韌性水泥基復(fù)合材料

2.1 材料簡(jiǎn)介超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）早期被稱為Engineered Cementitious Composite（ECC），是一種高延性、高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料［2-3］。它以斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)的概念為指導(dǎo)，通過對(duì)纖維、基體以及纖維基體界面進(jìn)行有意識(shí)地調(diào)整發(fā)展而來。它使用短纖維增強(qiáng)，且纖維摻量不超過復(fù)合材料總體積的2.5%，硬化后的復(fù)合材料具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%以上［4-5］。ECC常用的纖維有聚乙烯纖維（PE）和聚乙烯醇纖維（PVA）等，從纖維增強(qiáng)效果和經(jīng)濟(jì)性看，PVC纖維超高韌性水泥基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱 PVA-ECC）更具推廣價(jià)值［6-7］。

已有的研究表明，PVA-ECC具有良好的耐久性，其抗?jié)B性、抗凍性和抗碳化等性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥基材料。本文在日本產(chǎn)PVA纖維制備PVA-ECC的基礎(chǔ)上［8-10］，采用國(guó)產(chǎn)PVA纖維配制PVA-ECC，以期為新安江廠房頂溢流面抗沖磨部位的修補(bǔ)及防護(hù)提供參考。

2.2 原材料選擇本文試驗(yàn)采用東陽水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱“東陽普硅”）和華新水泥有限公司生產(chǎn)的P.M42.5水泥（以下簡(jiǎn)稱“華新中熱”），水泥檢測(cè)結(jié)果分別符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》和GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》的技術(shù)要求。粉煤灰采用云南曲靖I級(jí)粉煤灰，石英砂選用目數(shù)為120～200目，即粒徑為75～120μm。試驗(yàn)中還使用了減水劑、增稠劑和膨脹劑等不同外加劑。纖維為國(guó)產(chǎn)PVA專用聚乙烯醇纖維，其性能參數(shù)見表1。

表1 PVA纖維的性能參數(shù)

2.3 材料性能測(cè)試

2.3.1 力學(xué)性能測(cè)試 本文試驗(yàn)所有ECC試驗(yàn)配合比采用絕對(duì)體積法配制，試驗(yàn)均采用JJ-5型行星式砂漿攪拌機(jī)拌和。試件成型后2 d脫模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（20±2℃，相對(duì)濕度95%）水中養(yǎng)護(hù)至28 d試驗(yàn)齡期，或水中養(yǎng)護(hù)14 d后放入60℃后養(yǎng)護(hù)至28 d試驗(yàn)齡期。為了提高材料的后期強(qiáng)度，防止PVA-ECC早期開裂，在前期大量試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本次試驗(yàn)選用P.O42.5和P.M42.5水泥，水膠比為0.40、灰砂比為2.7左右、粉煤灰摻量為55%，部分配合比摻加了膨脹劑，各配合比水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 各配合比水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥基復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，在水膠比0.40、纖維體積摻量2%條件下，東陽普硅、華新中熱配制的PVA-ECC的極限拉伸應(yīng)變分別為2.61%和2.29%，表明兩種水泥均可制備出性能良好的PVA-ECC。在摻加1.0%或2.0%膨脹劑后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的極限拉伸應(yīng)變分別為1.93%和1.05%，表明隨著膨脹劑的加入PVA-ECC的延性有所下降，極限拉伸應(yīng)變的下降幅度分別為26%和60%。28 d齡期強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，28 d和90 d抗壓強(qiáng)度分別為：27.9～29.1 MPa和42.4～44.9 MPa，且因?yàn)椴牧戏勖夯覔搅枯^高，后期仍有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)；摻加膨脹劑后PVA-ECC的拉伸強(qiáng)度基本上相當(dāng)，膠砂抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度略有增加。

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、14 d標(biāo)養(yǎng)+14 d 60℃養(yǎng)護(hù)兩種條件下試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后試件的極限拉伸應(yīng)變均有不同程度下降，膨脹劑摻量為0%、1.0%和2.0%的東陽普硅PVA-ECC的極限拉伸應(yīng)變分別為1.95%、1.30%和0.34%，摻1.0%和2.0%膨脹劑時(shí)較不摻膨脹劑分別降低了33%和83%。表明養(yǎng)護(hù)溫度升高，膨脹劑摻量對(duì)PVA-ECC的極限拉伸應(yīng)變影響增大。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫養(yǎng)護(hù)條件下同一配合比試件的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有大幅度提高，但與不摻膨脹劑的試件相比，摻膨脹劑試件的拉伸強(qiáng)度均有所降低，膨脹劑摻量越高，拉伸強(qiáng)度下降幅度越大。由以上結(jié)果可知，摻加膨脹劑和高溫養(yǎng)護(hù)條件下，PVA-ECC的極限拉伸應(yīng)變有所降低，拉伸強(qiáng)度略有下降，因此實(shí)際施工中不建議采用膨脹劑。

2.3.2 干縮變形性能測(cè)試 試驗(yàn)參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中8.9水泥砂漿干縮（濕脹）進(jìn)行，測(cè)試PVA-ECC在無外荷載，溫、濕度基本穩(wěn)定的空氣中產(chǎn)生的軸向長(zhǎng)度變形。試件為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，試件成型后送入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至48 h，拆模后立即送干縮室進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，以此作為基準(zhǔn)長(zhǎng)度測(cè)定值，即圖1中橫坐標(biāo)齡期為（t-2）d。采用千分表測(cè)量其長(zhǎng)度變化率。

干縮試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由試驗(yàn)結(jié)果可知， PVA-ECC的干縮率在7 d齡期時(shí)為（971～994）×10-6，28 d時(shí)為（1486～ 1523）×10-6，90 d齡期時(shí)為（1633～ 1689）×10-6，180 d齡期時(shí)為（1751～ 1821）×10-6。摻1.0%膨脹劑的PVA-ECC其各齡期的干縮率較不摻膨脹劑試件略低，而摻2.0%膨脹劑的PVA-ECC其7 d前各齡期的干縮率較不摻膨脹劑試件略低，隨著齡期延長(zhǎng)，其干縮率超過不摻膨脹劑試件。由此同樣結(jié)果表明，PVA-ECC不宜采用膨脹劑。

圖1 PVA-ECC干縮試驗(yàn)結(jié)果

2.3.3 耐久性能測(cè)試

（1）抗凍性能試驗(yàn)。對(duì)采用P.O水泥、水膠比為0.40、摻2.0%PVA纖維的ECC進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體。試驗(yàn)按SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中快凍法進(jìn)行，試驗(yàn)齡期為28 d。試驗(yàn)結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)1000次凍融循環(huán)后，試件相對(duì)動(dòng)彈性模量在80%以上，質(zhì)量損失率很小，在±1%內(nèi)上下波動(dòng)，表明PVA-ECC有良好抗凍性能。

表3 抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）抗?jié)B性能試驗(yàn)。對(duì)采用P.O水泥、水膠比為0.40、摻2.0%PVA纖維的ECC按SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的逐級(jí)加壓法進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)，試驗(yàn)齡期28 d，最大水壓力2.1 MPa，試件均未滲漏，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由試驗(yàn)結(jié)果可見，PVA-ECC具有優(yōu)良的抗?jié)B性能，抗?jié)B等級(jí)達(dá)W20以上。

2.3.4 抗沖磨性能測(cè)試 試驗(yàn)采用70個(gè)不同粒徑的鋼球作為磨損介質(zhì)，在攪拌槳以1200 r/min速度旋轉(zhuǎn)的水流中對(duì)試件表面進(jìn)行沖磨，通過測(cè)定試件表面受水下高速流動(dòng)介質(zhì)的相對(duì)抗力，來比較和評(píng)價(jià)材料的相對(duì)抗沖磨能力。試模為圓柱形，內(nèi)徑300 mm，高100 mm。

表4 抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

PVA-ECC試件抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果見表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，其120 d齡期時(shí)的抗沖磨強(qiáng)度為7.0 h/（kg/m2）。沖刷后PVA-ECC試件表面磨損不均勻，試件邊緣磨損較多而中部較少。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度會(huì)增加。

表5 PVA-ECC試件抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果（水下鋼球法）

2.3.5 黏接強(qiáng)度測(cè)試 為保證PVA-ECC與修補(bǔ)基底混凝土之間的良好黏結(jié)，在修補(bǔ)基底混凝土上涂刷界面劑。試驗(yàn)采用了3種界面劑，其中兩種環(huán)氧類界面劑（分別是老環(huán)氧界面劑和改性環(huán)氧界面劑）和一種聚合物界面劑（聚合物乳液+水泥）?；谆炷敛捎玫某B(tài)混凝土，齡期超過1年，試驗(yàn)前對(duì)基底混凝土進(jìn)行了鑿毛處理，然后涂刷界面劑，界面劑表面澆筑PVA-ECC。測(cè)量結(jié)果見表6。

表6 PVA-ECC粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表6所示的試驗(yàn)結(jié)果來看，采用改性環(huán)氧界面劑和聚合物界面劑的拉拔黏結(jié)平均強(qiáng)度都達(dá)到了2.0 MPa以上，斷裂部位是界面處混凝土、拉拔頭黏結(jié)面或基材混凝土；老環(huán)氧界面劑的黏結(jié)強(qiáng)度偏低，平均值僅為0.78 MPa。因此，建議PVA-ECC采用聚合物界面劑或者改性環(huán)氧界面劑。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）通過上述試驗(yàn)結(jié)果表明，采用普硅水泥制備的PVA-ECC 28 d齡期極限拉伸應(yīng)變可達(dá)到2.61%、拉伸強(qiáng)度為3.75 MPa、抗折強(qiáng)度為12.3 MPa，28 d和90 d抗壓強(qiáng)度分別為29.1和44.9 MPa，且后期仍有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)；PVA-ECC與基礎(chǔ)混凝土之間使用改性環(huán)氧界面劑和聚合物水泥界面劑時(shí)，與老混凝土之間的黏接強(qiáng)度均可達(dá)到2.0 MPa以上。其高韌性可以適應(yīng)新安江電站廠房頂因發(fā)電振動(dòng)的環(huán)境，其強(qiáng)度可以滿足泄洪建筑物高速水流沖刷的要求。（2）熱水浸泡條件下PVA-ECC試件的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有較大提高，較其他高分子抗沖磨材料比較，PVA-ECC更能適應(yīng)新安江電站廠房頂溢流面長(zhǎng)期在濕熱的水中浸泡的環(huán)境。

3 現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)

2018年在新安江水電站廠房頂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，PVA-ECC試驗(yàn)區(qū)域156 m2?，F(xiàn)場(chǎng)施工工藝為：（1）基體混凝土表面準(zhǔn)備。清除待修補(bǔ)表面的殘留物、油脂、污跡、油性物等，清除疏松的混凝土層直到露出混凝土堅(jiān)硬的基質(zhì)部分，以保證修補(bǔ)材料與混凝土表面的黏結(jié)強(qiáng)度。對(duì)于光滑的表面需進(jìn)行鑿毛處理。鑿毛深度因混凝土質(zhì)量而異，控制在1～3 mm內(nèi)。采用手持角磨機(jī)、噴砂、混凝土表面銑刨機(jī)等打毛方式。當(dāng)基面未清理干凈時(shí)易造成空鼓或脫落，影響界面黏結(jié)強(qiáng)度。（2）材料拌和。拌和時(shí)，先將稱量好的砂子、水泥、粉煤灰和外加劑等加入攪拌機(jī)攪拌2 min，再加入水?dāng)嚢?min，然后向旋轉(zhuǎn)的攪拌機(jī)中加入PVA纖維，攪拌6 min，直到纖維均勻分散。試驗(yàn)證明，這種攪拌方式可使纖維在砂漿中均勻分散。（3）澆筑。在清理完畢的混凝土表面涂刷界面劑，分別涂刷水泥基底涂和環(huán)氧基底涂界面劑，界面劑表面觸干后即可施工PVA-ECC。將攪拌均勻的纖維超高韌性水泥基復(fù)合漿體攤鋪試驗(yàn)區(qū)域，用鏝刀攤平，或用平板振搗器攤平，拍打、抹光。在漿體初凝前進(jìn)行二次抹面，以便獲得致密、光潔平整的表面。抹面時(shí)，材料表面禁止灑水。由于該材料表干時(shí)間約8-9 h，為了提供二次抹面的條件，現(xiàn)場(chǎng)采用了跳倉間隔澆筑的施工方案。（4）養(yǎng)護(hù)。待修補(bǔ)材料終凝后，進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

通過現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)，改進(jìn)了攪拌方式，確定了攪拌時(shí)間，可以保證纖維在砂漿中均勻分散；用平板振搗器攤平、抹光，并且在漿體初凝前進(jìn)行二次抹光，可以獲得致密、光潔平整的表面；采用跳倉間隔澆筑的施工，即為二次抹面提供了條件，又避免了因早期材料收縮出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過近一年的運(yùn)行考驗(yàn)，目前現(xiàn)場(chǎng)澆筑的PVA-ECC表面情況良好，無開裂、脫空等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）PVA-ECC本體強(qiáng)度和黏接強(qiáng)度較高，可以滿足泄洪建筑物高速水流沖刷的要求；（2）PVA-ECC的均勻性對(duì)其性能影響很大，攪拌時(shí)應(yīng)按規(guī)程操作，保證纖維在砂漿基體中均勻分散；（3）PVA-ECC中水灰比較高，其表干固化時(shí)間較長(zhǎng)，在漿體初凝前需要進(jìn)行二次抹面，以便獲得致密、光潔平整的表面；（4）PVA-ECC具有良好的耐久性，其抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化、抗裂等性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥基材料，能適應(yīng)新安江電站廠房頂溢流面長(zhǎng)期在濕熱水中浸泡的環(huán)境；（5）由于該材料首次在水利水電工程泄洪建筑物表面防護(hù)中應(yīng)用，其效果有待于長(zhǎng)期觀察。